多组学视角下双酚A对山羊牛奶代谢重塑的影响及UiO66-NH2@MIP的选择性去除作用

《Journal of Hazardous Materials》：Multiomics insights into bisphenol A induced metabolic remodeling in goat milk and selective removal by UiO66-NH 2@MIP

　　摘要
双酚A在乳制品中存在持续的污染风险，然而双酚A引起的动物源性食品中代谢紊乱和稳态重塑的分子机制尚未得到充分阐明。本研究结合了非靶向代谢组学和脂质组学，并合理设计了UiO66-NH2@MIP，以机制上探究双酚A驱动的扰动，并实现山羊奶的选择性吸附去污。多元统计分析显示，代谢组和脂质组学谱型存在剂量依赖性变化，其中不饱和脂肪酸生物合成和甘磷脂代谢的代谢途径显著富集。鉴于广谱吸附剂在复杂系统中的识别能力不足以及传统MOF材料合成所需的苛刻反应条件，优化后的UiO66-NH2@MIP在室温下、以BPA/APTES/TEOS摩尔比为1:1:6的印迹条件下表现出Langmuir型单层吸附，最大吸附容量为17.61毫克/克，30分钟内即可达到平衡，并具有有利的热力学性质，表明这一过程主要由物理相互作用驱动。方法验证表明，在添加了双酚A的山羊奶样本中，回收率达到了98.99%-118.71%，检测限低至0.1微克/千克。这些发现推进了对双酚A在乳制品系统中诱导的代谢改变的机理理解，并建立了一种技术上可靠、可重复使用的吸附剂，用于有效去除复杂的动物源性食品基质中的有害内分泌干扰物。

引言
双酚A（BPA）已被确认为一种普遍存在的环境污染物，其大规模生产和广泛应用带来的污染成为一个需要认真关注的重大环境问题[1]。针对东亚地区双酚A及其类似物的污染调查报告显示，牛奶和乳制品中的浓度范围为0至10.8微克/千克，检出率为82.4%[2]，证实了这些食品基质中双酚A的普遍存在。对乳制品加工系统中污染途径的研究发现，从储罐中采集的牛奶样本具有最高的污染水平，达到0.265微克/升。相比之下，未检测到来自挤奶机材料的双酚A迁移，这表明双酚A在生物体内的食物链中的生物积累是原始牛奶中的主要暴露途径[3]。与牛奶和其他动物奶相比，山羊奶由于具有更大的比表面积，更容易富集环境污染物[4]。2014年至2025年间对全球牛奶、山羊奶和绵羊奶样本中全氟烷基物质污染的全面评估显示，全氟烷基物质在牛奶中普遍存在，山羊奶和绵羊奶的污染水平始终高于牛奶[5]。这种差异源于这些动物的放牧行为和土壤摄入习惯，以及它们牛奶中的特定脂质基质组成。此外，对摩洛哥乳制品中双酚A浓度的比较研究表明，山羊奶酸奶中的双酚A含量为4.4 ± 0.3微克/千克，显著高于牛奶酸奶中的0.99 ± 0.06微克/千克[6]，从而证明了山羊奶基质在处理过程中对双酚A富集的保留作用。尽管这些浓度低于规定的监管限值，外源化学污染物仍可能通过干扰代谢途径引发牛奶成分的级联重组[7][8]。代谢物的动态变化是生化反应紊乱的关键指标，通过整合包括代谢组学、转录组学、蛋白质组学和基因组学在内的多组学数据集，可以实现生物系统动态的全面表征。

光催化降解、生物降解、酶促降解和物理吸附已被开发用于去除外源雌激素污染物[9][10]，但其实际应用受到包括催化剂回收困难以及反应副产物毒性升高在内的持久性挑战的阻碍[11]。微过滤作为一种物理分离技术，在乳制品工业中广泛用于细菌去除、奶油分离和蛋白质分级[12]。然而，传统微过滤膜的孔径大小有限且缺乏特异性识别位点，限制了其对病毒、农药和兽药残留物、重金属离子及纳米级污染物的去除效率。分子印迹聚合物（MIPs）是一类具有优异分子选择性和良好再生性的先进吸附材料。将MIPs与微过滤膜结合制成表面功能化膜，赋予膜材料特定的吸附能力，从而能够选择性地富集和去除牛奶中的微量化学污染物[13]。传统的MIP载体通常具有有限的比表面积和稀疏的印迹位点分布，导致在复杂基质中分离微量污染物时的性能不佳。金属有机框架（MOFs）具有显著优势，包括极高的比表面积、可调节的孔结构以及框架内丰富的暴露金属位点。通过有机配体和金属中心的合理组合，可以设计出具有多种功能团的非晶态聚合物的新型载体。利用高比表面积带来的位点富集效应，印迹层可以生成丰富的相互作用位点，从而实现目标污染物的高容量、快速和特异性吸附[14]。Fe-MOF-74/MIP催化系统的开发证实了这一概念框架的有效性，该系统对邻苯二甲酸二甲酯的降解效率显著提高。在此结构中，Fe-MOF-74中密集分布的Fe位点激活过硫酸盐生成活性自由基，而覆盖的MIP层通过特异性吸附在催化中心附近选择性地捕获邻苯二甲酸二甲酯分子， thereby显著增加了自由基与污染物相遇的概率。在优化条件下，大约90%的邻苯二甲酸二甲酯在30分钟内被降解，并阐明了三种可能的降解途径，共同证实了分子印迹催化剂在水环境中有效去除邻苯二甲酸二甲酯的可行性[15]。基于这一设计原理，使用NH2-MIL-53(Fe)作为底物合成了表面分子印迹催化剂MIP-AA，以探究高级氧化条件下磺胺甲噁唑的靶向降解机制。实验发现，污染物在MIP-AA上的预浓缩主要通过弱非共价相互作用（尤其是氢键）实现，印迹层仅作为识别和限制界面，提供特定的结合位点和定制的孔结构，而不直接参与催化循环[16]。然而，传统MOFs主要通过溶剂热法合成，依赖N,N-二甲formatsamide等有毒溶剂，并需要高温高压等苛刻的反应条件，导致高能耗和不利于环境，严重限制了其大规模生产。

为了阐明微量双酚A压力下山羊奶内源性成分的响应模式和潜在分子机制，本研究在分子关联网络框架内整合了多维度组学分析策略。采用高分辨率质谱驱动的非靶向代谢组学与脂质组学，阐明了双酚A暴露引起的山羊奶基质在代谢物和脂质水平上的稳态重塑的分子机制，为评估双酚A污染下动物源性基质的营养安全性提供了关键数据支持。鉴于广谱吸附剂在复杂系统中的识别能力不足以及传统MOF材料合成所需的苛刻反应条件，基于先前构建的UiO66-NH2材料，进一步采用溶胶-凝胶策略在乙醇系统中制备了具有室温下特异性识别位点的分子印迹聚合物材料UiO66-NH2@MIP。该方法在线性范围、检测限和定量限以及重复性方面进行了严格评估，为膜负载功能材料有效去除山羊奶中的典型内分泌干扰物提供了理论基础。

化学品和试剂
叔丁基甲基醚（≥99.9%）、甲醇（≥99.8%）、乙腈（≥99.9%）、异丙醇（≥99.9%）、甲酸铵（≥99%）、甲酸（≥99%）、丙酮（99.5%）、双酚B（≥98%）、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（99%）、四乙基正硅酸盐（99.99%）、2,6-二叔丁基对甲酚（≥99%）、2,4-二硝基酚（≥95%）和双酚A（≥99%）均购自中国上海的药华化工试剂有限公司。三钠柠檬酸盐二水合物（≥99%）同样购自药华化工。

关于基于特征结构片段的山羊奶中代谢物的高通量准确鉴定策略的研究
代谢物鉴定按照顺序协议进行，包括非靶向峰提取、自动成分分析和库谱搜索，随后通过特征结构片段过滤，并最终通过真实标准确认保留的分析物。获取的光谱数据使用Compound Discovery 3.3.1.111软件和Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS)平台（//gnps.ucsd.edu/ProteoSAFe/）进行处理。

结论
双酚A作为一种普遍存在的内分泌干扰物，在牛奶和乳制品中构成持续的污染风险，然而其在动物源性基质中引起的稳态重塑的分子机制尚未得到充分阐明。本文建立了一种综合的非靶向代谢组学和脂质组学策略，用于描述双酚A暴露后山羊奶中的代谢紊乱，并构建了UiO66-NH2@MIP复合材料。

环境影响
作为高度关注的物质，双酚A通过工业废水和包装迁移渗透到农业食品系统中，在乳制品中富集，通过长期饮食暴露带来潜在的健康风险。本研究整合的非靶向代谢组学和脂质组学策略揭示了一种多途径扰动机制，其中不饱和脂肪酸生物合成和甘磷脂代谢受到优先干扰，导致脂质稳态受到破坏。

作者贡献声明
魏佳：方法学、研究、资金获取。
范子宾：写作 – 审阅与编辑、撰写 – 原始草案、方法学、研究。

利益声明
作者声明没有可能影响本文工作的利益冲突。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号32272401）和陕西省自然科学基金（项目编号2026JC-JCQN-036）的财政支持。

竞争利益声明
作者声明没有已知的竞争利益或个人关系可能影响本报告的工作。